Paire de Cooper

En physique de la matière condensée, une paire de Cooper est le nom donné aux électrons liés entre eux à basses températures d'une manière spécifique décrite en 1956 par Leon Cooper^[1]. Leon Cooper montrait qu'une petite interaction arbitraire entre électrons dans un métal peut induire un état de paire d'électrons ayant une énergie plus basse que l'énergie de Fermi, ce qui implique que cette paire est liée. Dans les supraconducteurs classiques, cette attraction est due à l'interaction électron-phonon. L'état de paire de Cooper est responsable de la supraconductivité, comme indiqué dans la théorie BCS développée par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer pour laquelle ils obtinrent le prix Nobel de physique en 1972^[2].

La raison de l'appariement peut être décrite par une explication simplifiée^[2]. Un électron dans un métal se comporte de manière habituelle comme une particule libre (gaz d'électrons libres). L'électron est repoussé par les autres électrons en raison de leurs charges similaires, mais il est attiré par les ions positifs constituant le réseau rigide du métal. Cette attraction peut tordre le réseau d'ions positifs de telle manière que d'autres électrons seront également attirés (interaction électron-phonon). À longue portée, cette interaction entre électrons due aux ions déplacés peut surpasser la répulsion électronique, et les forcer à l'appariement.

L'énergie de l'interaction d'appariement est assez faible, de l'ordre de 10^-3eV, et l'énergie thermique peut donc facilement conduire à la séparation des paires. Par conséquent, seules les basses températures permettent l'existence d'un nombre significatif de paires de Cooper dans un métal. Les électrons d'une paire ne sont pas forcément proches spatialement ; l'interaction étant à longue portée, les électrons appariés peuvent se trouver à plusieurs centaines de nanomètres l'un de l'autre. La distance étant habituellement plus importante que la distance inter-électronique moyenne, un nombre important de paires de Cooper peut occuper le même espace^[3]. Les électrons ayant un spin de 1/2 (ce sont des fermions), une paire de Cooper est un boson, auquel le principe d'exclusion de Pauli ne s'applique pas, ce qui permet l'existence d'une population occupant le même état. La tendance pour toutes les paires de Cooper d'un corps à se condenser dans le même état quantique fondamental est responsable des propriétés particulières de supraconductivité.